寧夏鹽堿地改良暗管排水脫鹽效果研究

王 雁， 田生昌， 左 忠

(1.寧夏銀川市金鳳區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村和水務(wù)局，寧夏 銀川 750001； 2.寧夏科源農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)有限公司，寧夏 平羅 753400； 3.寧夏農(nóng)林科學(xué)院 荒漠化治理研究所，寧夏 銀川 750002)

寧夏河套灌區(qū)得益于黃河灌溉，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平普遍較高，但由于存在不合理灌溉和排水問題，土壤鹽漬化加重，成為該區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展的“瓶頸”[1—4].寧夏河套灌區(qū)暗管排水工程實(shí)踐表明，明暗結(jié)合、井渠結(jié)合是當(dāng)?shù)毓鄥^(qū)最佳的排水模式.20世紀(jì)，暗管排水技術(shù)在國外應(yīng)用廣泛，并取得良好效果.2014年，學(xué)者基于Richards方程，通過有限元模型并在無量綱下修正Hooghoudt公式[5]，為暗管埋深和暗管間距的確定提供了參考.長期以來，中國農(nóng)田排水方式主要是明溝排水.1959年，江蘇省昆山縣將暗管排水技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)田排水并獲得成功.2000年，邵孝侯通過數(shù)學(xué)模型，從經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度優(yōu)化、設(shè)計(jì)塑料暗管排水的埋深和間距[6].2006年，陳香香優(yōu)化并設(shè)計(jì)不同埋深、土壤條件下的暗管間距計(jì)算方法[7].2008年，王少麗等以水量平衡為基礎(chǔ)，提出以鹽漬兼治為目標(biāo)、以地下水位分期動(dòng)態(tài)為指標(biāo)的排水新理念，并通過“模糊檔次”分級方法近似處理隔水層深度，推導(dǎo)排水暗管間距的非穩(wěn)定流簡化通式[8].2016年，楊軍等通過野外實(shí)驗(yàn)，研究龜裂堿地在不同地下水位的水鹽年際變化特征，發(fā)現(xiàn)地下水位與土壤礦化度呈線性關(guān)系[9].20世紀(jì)80年代，暗管排水技術(shù)首次在寧夏永寧縣永紅村用于鹽漬化土壤的改良[10].隨著農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)項(xiàng)目的實(shí)施，暗管排水技術(shù)在寧夏河套灌區(qū)得到快速發(fā)展和大面積推廣，至今已改良中低產(chǎn)田18.67萬hm2.研究結(jié)果顯示，埋設(shè)暗管后，土壤的含鹽量明顯降低，極大地提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量[11—16].近年來，隨著引黃水量減少，土壤鹽漬化問題尤顯突出.如何有效利用淺層地下水、控制地下水位、開展土壤脫鹽和不斷提高水分生產(chǎn)效率，進(jìn)而減輕土壤鹽漬化成為眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn)[17—21].魏建成等對銀川平原地下水位動(dòng)態(tài)變化的研究表明[22]，人為因素是地下水位變化的主要因素，包括農(nóng)業(yè)灌溉以及地下水開采等.針對以上問題，為分析不同工程、不同運(yùn)行年限暗管排水區(qū)的水鹽動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，以寧夏河套灌區(qū)5個(gè)暗管排水區(qū)為觀測區(qū)，進(jìn)行為期2 a(2015—2016年)的監(jiān)測.對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提出寧夏河套灌區(qū)暗管排水技術(shù)的參數(shù)與指標(biāo)，可為寧夏推廣應(yīng)用該技術(shù)，加快灌區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)農(nóng)民增收、奔小康目標(biāo)提供參考.

1 研究區(qū)、觀測內(nèi)容與方法

1.1 研究區(qū)

研究區(qū)設(shè)在寧夏的北部，屬于寧夏引黃灌區(qū).5個(gè)暗管排水區(qū)在同一灌區(qū)內(nèi)，灌溉水源是黃河水，采用自流灌溉形式.灌溉、排水區(qū)位置，根據(jù)暗管排水技術(shù)原理及設(shè)計(jì)要求進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃和布局，采用T555型開溝鋪管機(jī)建設(shè).研究區(qū)位于東經(jīng)105°58′～106°58′ ，北緯38°36′～39°5′ ，海拔約1 080 m，地勢平坦.屬溫帶干旱半干旱大陸性氣候區(qū)，春旱多風(fēng)、升溫快，夏季炎熱、雨量集中，秋季短暫、降溫快，冬季干冷、雨雪稀少.該區(qū)域的日照充足、溫差大、蒸發(fā)強(qiáng)烈;年平均氣溫8.8 ℃，年平均降水量176 mm，全年降雨主要集中在6—9月，無霜期171 d;光照資源豐富，年平均日照2 884 h，全年大于等于10 ℃的有效積溫為3 178 ℃.該區(qū)域的土壤為灌淤土、鹽漬土、淡灰鈣土等.主要農(nóng)作物有小麥、玉米、水稻等，林木有柳樹、楊樹、檉柳等.土壤鹽堿化較重，肥力差，地勢低洼，排水不暢.同時(shí)，由于存在不合理的灌溉和排水問題，土壤鹽漬化加重，大大制約了該地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展.

1.2 暗管排水技術(shù)工程的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)

研究區(qū)有明暗結(jié)合排水區(qū)和強(qiáng)排水區(qū).其中，明暗結(jié)合排水區(qū)(以中度鹽堿地為主)有西湖農(nóng)場(No.1)、團(tuán)結(jié)中渠(No.2)；強(qiáng)排水區(qū)(以中度至重度鹽堿地為主)有陸家營子(No.3)、上寶閘(No.4)、上營子(No.5).暗管排水技術(shù)工程設(shè)計(jì)見圖1～圖2.在明暗結(jié)合排水區(qū)，要求排水量與引水量的比值控制在0.35～0.45、排鹽量與引鹽量的比值控制在1.1～1.2.在土壤鹽堿化較重的強(qiáng)排水區(qū)，要求排水量與引水量的比值控制在0.3～0.4、排鹽量與引鹽量的比值控制在1.15～1.25.根據(jù)Hooghoudt公式、暗管埋深公式[5,23]，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際狀況，按照經(jīng)濟(jì)實(shí)惠原則，確定暗管的間距和埋深.其建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)：

1) 銀北灌區(qū)暗管埋深為1.4～1.6 m，平均為1.5 m；暗管間距為70～100 m，平均為85 m.

2)銀南灌區(qū)暗管埋深為1.0～1.4 m，平均為1.2 m；間距為40～60 m，平均為50 m.

研究地區(qū)作物用黃河水灌溉：小麥灌水3～4次，灌溉用水定額為230～270 m3；玉米灌水4次，灌溉用水定額約為280 m3；小麥套種玉米灌水6次，灌溉用水定額為333～415 m3；水稻灌水10～14次，灌溉用水定額約為979 m3.

1.3 觀測內(nèi)容

1)土壤中的含鹽量和地下水質(zhì).2015—2016年，對土壤中鹽的質(zhì)量含量進(jìn)行監(jiān)測(表1).對土壤進(jìn)行定點(diǎn)、定時(shí)取樣化驗(yàn)分析，每年在春灌前、作物生育期、收割后取7～9次，測定土壤表層(0～20 cm)與作物根系土層(20～80 cm)中鹽的質(zhì)量含量與土壤的pH值.同時(shí)，春灌前加測土樣中8大離子的質(zhì)量含量.在強(qiáng)排水區(qū)定點(diǎn)取樣，在明暗結(jié)合排水區(qū)取暗管排出的水樣(取樣時(shí)間與土壤中鹽的質(zhì)量含量測定同步)，測定地下水的礦化度.

2) 地下水位.每個(gè)典型區(qū)布設(shè)5眼觀測井，布設(shè)在2條暗管之間，即距暗管0.2～0.5 m處2眼，距暗管10～15 m處2眼，2條暗管中間1眼.觀測井深3.5 m，觀測井管徑75 mm.地下水位每5 d測1次，灌水前后加測.用圓柱水尺連續(xù)觀測2 a(2015—2016年)，觀測精度在0.5 mm以內(nèi).

3) 土壤物理性質(zhì)指標(biāo)的測定.通過現(xiàn)場開挖確定土壤垂直剖面結(jié)構(gòu)，測定與分析土壤的密度與質(zhì)地.

4) 灌溉、排水效果.2015—2016年，在作物灌溉期，測定項(xiàng)目區(qū)的引水量.強(qiáng)排水區(qū)的排水量通過集水井的抽排時(shí)間確定.在明暗結(jié)合排水區(qū)分別測定單條暗管的排水量與溝道的排水量.

圖1 暗管排水技術(shù)原理

圖2 暗管排水技術(shù)平面示意圖

1.4 數(shù)據(jù)處理

通過Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，通過Orgin 8.0作圖.

表1 暗管排水區(qū)土壤中鹽的質(zhì)量含量變化

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤中鹽的質(zhì)量含量動(dòng)態(tài)變化

0～20,20～80 cm土壤中鹽的質(zhì)量含量ρ在春灌前達(dá)到最大值(表1、圖3～圖4).在灌溉期至3水后，農(nóng)田受到淋洗和排水的影響，土壤中ρ降至最低值.單種小麥的農(nóng)田收獲小麥后農(nóng)田無遮蓋，此時(shí)地下水位高，土壤中的ρ增加.小麥套種玉米地，在灌抽雄水(3水)、灌漿水后，土壤中ρ持續(xù)減少，但減少量變小.停灌后土壤中ρ增加，達(dá)到全年第2個(gè)高峰值.這是因?yàn)樵诠喔攘芟春桶倒芘潘餐饔孟拢寥辣韺又笑央S著水下滲而產(chǎn)生水鹽動(dòng)態(tài)平衡結(jié)果.

春灌前，土壤的含鹽量是衡量土壤質(zhì)量的重要指標(biāo).2015—2016年,春灌前，土壤中ρ有增有減(表2)，究其原因，主要是受當(dāng)?shù)刈匀粭l件等諸多因素的影響.各暗管排水區(qū)在春灌前至停水后，0～20 cm土層的脫鹽率r=3.4%～83.1%，平均r=43.2%.各暗管排水區(qū)在春灌前至停水后，20～80 cm土層的r=10.0%～71.2%，平均r=40.6%.總之，采用暗管排水技術(shù)改良鹽堿地，能減輕鹽漬危害，形成有利于作物根系生長的良好土壤環(huán)境.

圖3 0～20 cm土壤中鹽的質(zhì)量含量

圖4 20～80 cm土壤中鹽的質(zhì)量含量

表2 暗管排水區(qū)土壤的脫鹽結(jié)果

進(jìn)一步比較2 a土壤中ρ的變化情況，考察各研究區(qū)土壤中ρ的平均值(圖5～圖6).由圖5～圖6可知，2015—2016年，各灌溉時(shí)期0～20，20～80 cm土壤中ρ雖有變化，但變化較小并趨于一致.這主要受當(dāng)?shù)刈匀?、氣候及其栽培管理等因素的影響，有待于今后繼續(xù)深入研究.

圖5 0～20 cm土壤中鹽的質(zhì)量含量

圖6 20～80 cm土壤中鹽的質(zhì)量含量

2.2 地下水埋深的動(dòng)態(tài)變化

2.2.1地下水埋深的年度變化 暗管排水區(qū)的地下水埋深隨著季節(jié)呈周期性變化，但最高水位、最低水位和升降范圍變化基本保持穩(wěn)定，具有明顯的人為灌溉排水“動(dòng)態(tài)平衡”特征.

地下水埋深變化，強(qiáng)排水區(qū)的地下水位比明暗結(jié)合排水區(qū)的高(表3)，這是因?yàn)閺?qiáng)排水區(qū)的地勢比明暗結(jié)合排水區(qū)較低洼.年內(nèi)最低水位出現(xiàn)在2月下旬，且各研究區(qū)差別較大.地下水埋深為1.53～2.48 m，這主要與暗管排水區(qū)的排水量、暗管埋深及自流排水溝道的深度與排水出口等有關(guān)，其中，No.1的地下水埋深為2.48 m，No.4的地下水位最淺，為1.53 m.年內(nèi)最高水位出現(xiàn)在冬灌期的11月中下旬，地下水埋深為0.3～0.5 m.

表3 地下水埋深的年度變化

2.2.2地下水埋深的年際變化 研究區(qū)地下水位2 a的觀測資料顯示，2種不同形式暗排水區(qū)的地下水位年際變化不同，明暗結(jié)合排水區(qū)基本保持相對穩(wěn)定，強(qiáng)排水區(qū)的地下水位與各時(shí)期抽排時(shí)間、抽排水量有關(guān).

灌溉期地下水埋深的年際變化情況(表4)：No.1,No.4基本保持相對穩(wěn)定；No.2,No.5變化較小；No.3變化較大，究其原因，主要受灌溉的作用和影響.

表4 灌溉期地下水埋深的年際變化

2.3 地下水礦化度的變化

暗管排水技術(shù)能夠及時(shí)排走土壤中灌溉入滲的地下水，在降低地下水位的同時(shí)，騰出被表層咸水占據(jù)的土壤空隙，并被灌溉水所取代，從而促進(jìn)了地下水的淡化.一年中地下水的礦化度ρ0，隨著灌溉水的補(bǔ)給、土壤鹽分的淋洗出現(xiàn)波動(dòng)，一般在春灌頭水后升高，其他時(shí)間的升高或降低與土壤的性質(zhì)及灌溉用水量有關(guān)(表5).

表5 地下水礦化度的動(dòng)態(tài)變化

2.4 地下水的埋深、礦化度與土壤中鹽分的關(guān)系

地下水的埋深和礦化度與土壤的鹽漬化有密切關(guān)系[9]，一般，地下水少，埋藏的越深，礦化度越小，土壤鹽化也越輕.選擇研究區(qū)No.2中觀測井1口，對2 a觀測的地下水位及其礦化度、耕層土壤中鹽的質(zhì)量含量進(jìn)行分析(圖7).

圖7 地下水的埋深和礦化度與土壤鹽分的關(guān)系

由圖7可知,地下水位控制在1.6 m以下時(shí)，土壤中水鹽環(huán)境能給植物正常生長提供適宜的生存環(huán)境.采用暗管排水技術(shù)第2年，在研究區(qū)內(nèi)中至重度鹽堿地上栽植灌木檉柳和小喬木樹種，其保存率達(dá)91%；未采用該技術(shù)直接墊土，栽植的灌木檉柳和小喬木樹種的保存率不到50%，差異非常明顯.結(jié)合研究區(qū)實(shí)際狀況，綜合分析可知，地下水位應(yīng)控制在1.6～1.8 m.

2.5 暗管排水技術(shù)的運(yùn)行效果

暗管排水技術(shù)能有效控制地下水位，改良鹽堿地土壤，進(jìn)而達(dá)到作物增產(chǎn)的目的(表6).隨著時(shí)代的變遷、科技的發(fā)展，寧夏地區(qū)暗管排水技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用.為深入了解暗管排水技術(shù)運(yùn)行情況及效果，對研究區(qū)及周邊實(shí)施暗管排水技術(shù)區(qū)作物的產(chǎn)量y進(jìn)行對比與分析(表7).

應(yīng)用暗管排水技術(shù)，作物的y普遍提高(表6),小麥產(chǎn)量達(dá)到中產(chǎn)(以4 500 kg/hm2計(jì))或中產(chǎn)以上水平，小麥套種玉米農(nóng)田部分達(dá)到或接近“噸糧田”標(biāo)準(zhǔn).表明暗管排水技術(shù)能夠很好地改良鹽堿地，形成有利于作物根系生長的土壤環(huán)境，達(dá)到作物增產(chǎn)的目的.未應(yīng)用暗管排水技術(shù)，作物的y低而不穩(wěn)(表7)，應(yīng)用暗管排水技術(shù)后，作物實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn).暗管排水技術(shù)極大地改善了土壤中水鹽平衡狀況，使其朝著有利于作物生長的方向發(fā)展.

結(jié)合寧夏銀北、銀南暗管排水區(qū)灌溉前土壤地下水的埋深與鹽分觀測結(jié)果，對暗管排水區(qū)運(yùn)行效果進(jìn)行評估,得出寧夏治理鹽堿地的暗管排水技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：在灌溉前地下水位應(yīng)控制在1.6～1.8 m,在作物生育期應(yīng)控制在0.8～1.4 m，在初凍期應(yīng)控制在1.2～1.5 m.

表6 暗管排水區(qū)作物的產(chǎn)量

表7 暗管排水技術(shù)的運(yùn)行效果

3 討論與結(jié)論

1) 暗管排水區(qū)在春灌前至停水后，0～20 cm土層的脫鹽率為3.4%～83.1%，平均脫鹽率為43.2%； 20～80 cm土層的脫鹽率為10.0%～71.2%，平均脫鹽率為40.6%.在2 a的各灌溉時(shí)期，0～20,20～80 cm土壤中鹽的質(zhì)量含量變化較小，并趨于一致.應(yīng)用暗管排水技術(shù)改良鹽堿地，能減輕土壤鹽漬危害，形成有利于作物根系生長的土壤環(huán)境，一些地區(qū)的作物產(chǎn)量達(dá)“噸良田”的水平，也證明暗管排水技術(shù)的增產(chǎn)效果顯著.從水鹽平衡分析結(jié)果看，達(dá)到設(shè)計(jì)和運(yùn)行要求的項(xiàng)目區(qū)，暗管的排鹽量超過引鹽量，并呈穩(wěn)定脫鹽趨勢.總體看，暗管排水技術(shù)在土壤的排水、排鹽，抑制地下水位，提高作物產(chǎn)量等方面均有良好的效果.

2)通過對暗管排水技術(shù)的研究與分析，提出寧夏治理鹽堿地的暗管排水技術(shù)標(biāo)準(zhǔn).在灌溉前土壤的地下水位應(yīng)控制在1.6～1.8 m，在作物生育期間土壤的地下水位應(yīng)控制在0.8～1.4 m，在初凍期土壤的地下水位應(yīng)控制在1.2～1.5 m.